金属の疲労

Structural Engineering

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Summary

ソース: ロベルト ・ レオン、ブラックスバーグ, バージニア バージニア工科大学土木環境工学科

土木インフラ プロジェクトの金属疲労の勉強の重要性によってもたらされたスポット ライトに銀橋の崩壊ポイント プレザント、1967 年にウェスト バージニア州。オハイオ州川に架かる eyebar チェーン、サスペンションの橋崩壊夕方のラッシュアワーの間に小さい 0.1 インチ欠陥を持つ単一 eyebar の失敗の結果として 46 人が死亡します。欠陥繰返し条件と脆性崩壊の原因に失敗した後の重要な長さに達した。このイベントは、ブリッジ エンジニアの方々 の注目を集めて、テストと金属疲労を監視の重要性を強調しました。

通常のサービス条件下で材料はサービス (または毎日) 負荷の多数の適用を受けることが。これらの負荷は、通常構造の終局耐力の 30-40% ではせいぜい。しかし、終局耐力をはるかに下回る大きさで、繰り返し荷重の発生後、材料は疲労破壊と呼ばれるものを体験できます。疲労破壊は突然、重要な事前の変形が生じる、き裂成長と急速な伝播リンクされます。疲労は疲労抵抗 (表 1) に影響を与える多くの要因の複雑なプロセスです。この複雑さは、橋梁、クレーン、車両や航空機のほぼすべての種類など繰り返し荷重を受ける構造物の日常的かつ徹底的な検査のため不可欠な必要性を強調します。

条件を強調 材料特性 環境条件
  • ストレスの種類
  • 応力振幅
  • 平均応力
  • 周波数
  • 組合せ応力
  • 応力履歴
  • 応力集中 (ノッチ)
  • 転がり接触
  • サイズ
  • 材料のタイプ
  • 表面の状態
  • 結晶粒径
  • 温度
  • 腐食

表 1。疲労に影響する要因

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 構造工学. 金属の疲労. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

  1. 5 A572 グレード試験片寸法と使用されている Moore 回転ビーム マシンの適切なコンピューターの構成を取得します。この場合の最小直径 0.50 インチ長いと 0.04 インチ長いと小さな直径 0.15 インチ ハイネックで 2.40 の標本に回転片持ちセットアップをします。
  2. 供試体寸法とマシンの構成は、曲げ応力範囲 ± 75%、± 60%、± 45%、± 30% と低い応力をゼロ応力として取る場合は使用材料の公称の降伏応力の ± 15% を生産するために必要な重量を計算します。この実験に使用する A572 級鋼 Fy = 50 ksi 応力範囲の各テスト 1 つの標本。± ± 15% のストレス怒り対応 (0.15 * 50 ksi) へ ± 7.5 ksi を =。多くのより多くの標本は、統計的に有効なデータを取得するには、各応力範囲でテストする必要があります。
  3. 機械に最初の標本をマウントします。この場合梁の中央付近にハイネックのセクションを挿入して、その重心を中心に回転ビームに慎重に合わせますしなければ。片試験片は、一連の温泉とロードセルによって値を監視によって生成されるポイントの負荷を使用して先端に読み込まれます。力を常に、下向きビームが回転するベアリングを通した荷重です。マシン速度は 1400 rpm に設定されて、サイクル カウンターは、ゼロに設定、テストが開始されました。速度、試験片寸法と応力試験機によって異なります。
  4. 試料が失敗するまで待機し、失敗するサイクル数を記録します。
  5. 他の標本に対して繰り返します。

繰返し荷重を受ける金属構造物の疲労破壊は、構造物の終局強度以下大幅負荷時警告なし発生します。研究室で疲労の特性を評価することが重要だし、フィールドにおけるき裂の疲労を監視するので、この現象をモデル化することは困難です。

オハイオ州川、銀橋の崩壊は、1967 年に工学のコミュニティの注意に金属疲労の重要性をもたらした。橋は、46 人が死亡、腐食疲労による脆性ファッションに失敗しました。疲労破壊は、査察官には見えない eyebar 接続で発生したし、はおそらく製造上の欠陥によるもの。

材料のみの終局耐力の 30 〜 40% があります応力負荷の多くのサイクルを経験する疲労破壊が起こります。亀裂成長と伝搬繰返しのこのタイプの中には、いくつかの警告標識と突然疲労破壊で起因できます。疲労は、耐疲労性に影響を及ぼす多くの要因の複雑なプロセスです。

高サイクル低応力範囲の条件は、機器や部品や橋の上車のような負荷を動かすか、または回転で製造工場の機械構造で発生します。低サイクル、高応力範囲の疲労は、地震などの状況で発生します。

このビデオは材料の検査の必要性を示すため、繰り返される低応力を受ける構造物の監視、災害を避けるために高サイクル疲労失敗。

疲労き裂通常法線応力に対して角度を開始するが判明し、原則として引張応力に垂直に成長します。亀裂は、圧縮応力ではなく引張り、または膨大な負荷に伝達されます。

繰り返し載荷後亀裂重要な長さに達するし、突然すぐに故障につながる、音速の速さで伝わる。初期き裂進展特性ビーチマーク疲労破面が生成されます。粗い破面が突然失敗した材料の表面に生成されます。

疲労破壊は、サイクルと失敗する応力範囲の数によって定義されます。作用応力範囲が増加すると、失敗する回数が減少します。ほとんどの金属、合金鉄以下彼らがサイクル数に関係なく失敗しない耐久限度があります。特定の応力サイクル範囲は実際の生活の繰り返し載荷時ランダムです。このため、1 つ以上の応力範囲と障害へのサイクルを表す 1 つ以上の対応する数があります。

マイナーのルールは、応力範囲のセットを定義して、これらの範囲にサイクルをグループ化で使用されます。期待される繰返しの数は各応力範囲の破壊までの周期で割った値、合計します。合計が 1 より大きい場合、疲労破壊は可能です。この方程式の物理的な基礎がないは工学の設計目的のため役に立つです。多数の応力範囲と破壊までの周期は、回転ビーム試験を使用してテストできます。

このテストは、供試体を回転しながら片持ち曲げ構成が使用されます。適用される負荷は、応力範囲のセットを計算する降伏耐力をによって決定されます。たとえば、一般的な構造用鋼は 50 ksi の降伏耐力とプラスまたはマイナス 15% の初応力範囲の計算をプラスまたはマイナス 7.5 ksi の負荷を与えます。この荷重で試料の経験による緊張とそれぞれの革命の間に完全圧縮。

失敗に周期の数のログ値に応力範囲を関連、S-N カーブが生成されます。次のセクションでは、鋼材の材料のため、S-N カーブを生成するより回転ビーム機を使用をテストします。

5 A572 グレード標本 Moore 回転ビーム機で回転片持ちセットアップを使用してテストすることを取得します。供と荷重点までの距離の寸法は、使用しているテスト コンピューターに特定されます。

これらの寸法は、あなた自身のテスト セットアップを異なる場合があります。私たちの標本は、2.40 インチ長さ、直径 0.15 インチです。各試験片の小さなハイネック セクションは 0.50 インチ長さ、直径 0.04 インチです。

梁中央付近にハイネックの断面を持つマシンで最初の標本をマウントします。供試体の中心から荷重点までの距離を測定します。片持梁端荷重を適用し、ビームは回転自由と、振れがなく、標本を慎重に合わせます。片試験片は、一連の温泉とロードセルによって値を監視によって生成されるポイントの負荷を使用して先端に読み込まれます。力を常に、下向きビームが回転するベアリングを通した荷重です。

マシン速度が 1400 rpm で設定されて、サイクル カウンターが 0 に設定、テストの開始。速度、標本サイズ、および応力試験機によって異なります。試料が失敗するまで待機し、失敗するサイクル数を記録します。失敗したテスト コンピューターから取り外し、その破面を検査します。

テストする応力範囲のそれぞれに 1 つの検体のテストを繰り返してください。多くのより多くの標本は、統計的に有効なデータを取得するには、各応力範囲でテストする必要があります。

応力範囲とサイクル数を集計し、結果をプロットします。標本の実際の降伏応力は、引張強度は 87.4 ksi され 65.3 ksi です。ここに示す応力範囲は 23% と 92% の収量との間に対応します。

データが 15 ksi 上記応力範囲のことを示しています未満 100,000 サイクル、応力範囲とサイクル数のログの線形関係の減少があります。最高は、ラインに適合し、破壊までの周期数が約 31,000 25 ksi の応力範囲のことを示します。

15 ksi の応力範囲、下障害は示されません。これは耐久限度を考慮されます。10 ksi と 20 ksi 以上の標本をテストにより、耐久限度の信頼性を向上できます。

橋の載荷履歴は数サイクルと応力範囲の想定して我々 は材料の疲労現象を知っている場合は、マイナーのルール破壊までの周期を計算する使用できます。

どおり、賢いパーセント高いストレス範囲に被害の累積影響ははるかに大きいがあります。構造設計疲労生活能力値として近くには 1.0 に近いようであります。

試験、繰返し載荷の役割を高く評価し、疲労破壊の監視の例を見てをみましょうどのように身近な生活効果構造を疲労。

橋は、毎日繰返しを経験します。致命的な障害は、デラウェア州ウィルミントンのブランディ ワイン川の橋の上幸いにも回避できた。1997 年に下山道ジョガーによって発見された重大な亀裂は、振るう欠陥からの伝播を発見されました。修理が行われているし、橋は 6 車線のトラフィックの使用でモニターしながら続けます。

エンジニアには、加圧をシミュレートし、1950 年代に飛行中 3 機が爆発した後に depressurization プールで胴体が浸水しました。後窓の隅に応力集中により繰返し疲労破壊が発生したことが確認されました。結果として、現代航空機の設計にはこの力に対抗し、応力集中緩和ラウンド コーナーが含まれています。

ゼウスの金属疲労入門を見ているだけ。今、繰返しおよび金属の疲労破壊に及ぼす影響の考えを理解しておくべき。

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